Обмен веществ и энергии
Обмен веществ и энергии является основным проявлением жизнедеятельности. Ни одна ткань, ни одна клетка организма не может нормально осуществлять свои жизненные функции без притока питательных веществ и кислорода, без непрерывного удаления продуктов распада.
В обмене веществ различают: поступление в организм питательных веществ и кислорода; усвоение питательных веществ и кислорода тканями тела и протекание реакций с поглощением и высвобождением энергии; выделение из тканей организма продуктов распада.
Питательные вещества используются как пластические и энергетические ресурсы. Пластическая функция питательных веществ заключается в том, что после ряда химических превращений синтезируются свои, специфические для каждого органа соединения, из которых строятся клеточные структуры. Энергетическая функция питательных веществ состоит в использовании энергии, выделяющейся при расщеплении и окислении их до некоторых конечных продуктов.
Поступление кислорода в ткани организма обеспечивается дыхательной и сердечно-сосудистой системами, а питательные вещества – углеводы, жиры, белки, минеральные соли, микроэлементы, витамины и вода – поступают в организм с пищей.
Углеводы используются организмом преимущественно как источник энергии. Особенно интенсивно углеводы используются мышцами и клетками головного мозга. Организм обладает свойством откладывать в запас углеводы в виде гликогена в печени и в мышцах. Величина запаса в среднем составляет 350 г, у спортсменов до 500 г, что увеличивает их потенциальные возможности проявления физической и умственной работоспособности.
Жиры обладают более высокой энергетической ценностью. Кроме этого, жировая ткань предохраняет организм от излишней потери тепла, от механических повреждений. Жиры как энергетический материал в обычных условиях используется только сердечной мышцей. Скелетные мышцы начинают использовать жиры в качестве источника энергии только после длительной интенсивной работы, когда запасы углеводов истощаются. Поэтому регулярные занятия циклическими видами упражнений активизируют в организме обмен жиров, что не дает накапливаться излишнему количеству жировой ткани.
Белки являются основным пластическим материалом, из которого строятся клетки всех тканей организма, например, в состав скелетных мышц входит 20% белков. Однако при длительном голодании, когда истощаются запасы углеводов и жиров, белки используются как источник энергии. В виде запасов белки в организме не откладываются.
Минеральные соли, микроэлементы и вода поддерживают необходимое осмотическое давление и наряду с белками, жирами и углеводами обеспечивают постоянство внутренней среды организма. Минеральные соли могут откладываться про запас, например соли железа откладываются в печени, кальция – в костях, калия – в мышцах. Для нормальной жизнедеятельности необходимо, чтобы количество поступившей воды покрывало количество выделяемой воды (водный баланс). Минимальная суточная потребность организма составляет 1700 мл воды.
Витамины – специфические органические соединения, обладающие большой биологической активностью, являются биокатализаторами обменных процессов в организме. Витамины обеспечивают высокую работоспособность организма и повышают его сопротивляемость к различным заболеваниям. В запас витамины, как правило, не откладываются, но витамины В12 и А могут накапливаться в печени. При разнообразной растительной и животной пище организм получает все необходимые ему витамины. Активные занятия физическими упражнениями и спортом повышают потребность организма в витаминах.
Процессы обмена веществ в организме идут непрерывно. Каждую секунду в организме разрушается огромное количество молекул различных веществ, и одновременно образуются новые вещества. В течение 3 месяцев половина всех белков нашего тела обновляется. За 5 лет учебы у студентов, например, ткань роговицы глаза обновляется 250 раз, а слизистая оболочка желудка – 500 раз.
Обмен веществ между организмом и внешней средой сопровождается обменом энергии. С одной стороны, человек получает энергию с пищей, с другой, он тратит энергию на работу внутренних органов, физическую и умственную работы, поддержание оптимальной температуры тела, а также на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение жизнедеятельности, роста и развития организма.
Существует так называемый энергетический баланс – равное отношение между количеством энергии, поступающей в организм, и величиной энергетических затрат. Появление избыточного веса у большого числа людей свидетельствует об энергетическом нарушении баланса: избыточном питании и недостатке двигательной активности.
В состоянии полного покоя человек в среднем расходует около 1700 ккал в сутки. Во время мышечной работы расход энергии повышается: затрата энергии тем выше, чем интенсивнее труд. Занимающиеся тяжелым физическим трудом и квалифицированные спортсмены затрачивают до 7 тыс. ккал и более в сутки.
Занятия физическими упражнениями и спортом повышают активность обмена веществ и энергии, что положительно сказывается на умственной и физической работоспособности человека.
Кровь и кровообращение.
Сердце и сердечно-сосудистая система
Кровь – жидкая ткань организма, циркулирующая в кровеносной системе и состоящая из плазмы и форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов). Кровь осуществляет транспортную, регуляторную, защитную и др. функции. Количество крови составляет 7–8% от веса тела. В покое 40–50% крови выключается из кровообращения и находится в «кровяных депо». В случае необходимости (например, при мышечной работе) запасной объем крови включается в кровообращение.
Регулярные занятия физическими упражнениями и спортом способствуют увеличению количества гемоглобина в эритроцитах и количества эритроцитов в крови, что повышает кислородную емкость крови. У человека тренированного к физическим нагрузкам, повышается сопротивляемость организма к простудным и инфекционным заболеваниям, ускоряются процессы восстановления после значительной потери крови.
Кровообращение – движение крови по замкнутой системе кровеносных сосудов, являющееся одной из основных жизненных функций организма. Кровеносная система человека делится на два круга: большой и малый, центром которых является сердце.
Большой круг начинается с левого желудочка сердца аортой и, проходя по всему телу в виде артерий, капилляров и вен, заканчивается в правом предсердии верхней и нижней полыми венами и венами сердца. Малый круг (легочный) начинается от правого желудочка сердца легочным стволом, проходит через легкие, где кровь обогащается кислородом, и заканчивается в левом предсердии четырьмя легочными венами. Сосуды, по которым течет кровь от сердца, называются артериями, а сосуды, несущие кровь к сердцу, – венами. В артериях большого круга кровообращения находится кровь, богатая кислородом (артериальная), в венах – с меньшим содержанием кислорода (венозная). В малом (легочном) круге кровообращения существует обратное явление: в артериях течет венозная кровь, в венах – артериальная.
Систематические занятия физическими упражнениями способствуют улучшению условий кровообращения и питания важнейших систем организма, в том числе и органов кровообращения. Благодаря этому дольше сохраняется хорошая эластичность кровеносных сосудов, отдаляется их старение, а, следовательно, и старение всего организма.
Кровообращение осуществляется в основном за счет нагнетательной деятельности сердца, создающей разность давления крови в артериях и венах.
Сердце – жизненно важный центральный орган кровообращения, осуществляющий движение крови по кровеносным сосудам. Сердце представляет собой полный четырехкамерный мышечный орган неправильной конической формы, совершающий ритмические сокращения. В сердце различают два предсердия (правое и левое) и два желудочка (правый и левый). Каждый цикл деятельности сердца состоит из систолы (сокращения), диастолы (расслабления) и паузы. Стенки предсердий сокращаются в то время, когда стенки желудочков расслаблены, систола же желудочков начинается после того, как заканчивается систола предсердий.
Помимо нагнетательной деятельности сердца, дополнительными факторами кровообращения являются: присасывающее действие грудной полости (давление в ней обычно ниже атмосферного), наличие клапанов в венах (см. ниже) и сама двигательная активность. Пожалуй, ни один орган не нуждается столь сильно в тренировке и не поддается ей столь легко, как сердце человека, но в то же время именно оно, в первую очередь, страдает от чрезмерной нагрузки.
При выполнении физических упражнений сердце неизбежно тренируется. Расширяются его возможности и оно приспосабливается к переброске намного большего количества крови, чем это может сделать сердце нетренированного человека. В процессе регулярных занятий физическими упражнениями и спортом, как правило, происходит увеличение массы сердечной мышцы и размеров сердца, т. е. гипертрофия сердца. Систематическая мышечная деятельность приводит к увеличениям числа капилляров, как в скелетных мышцах, так и в самой сердечной мышце. Показателями работоспособности сердца являются частота пульса, кровяное давление, систолический и минутный объем крови.
Частота пульса в покое у тренированных людей составляет 40–60, у нетренированных – 60–70 уд/мин, так происходит экономизация сердечной функции. Частота пульса у тренированных людей при физической нагрузке увеличивается до 220–240 уд/мин. Нетренированное сердце такой частоты достигнуть не может.
Артериальное давление в норме у здорового человека в возрасте от 18 до 40 лет равно: максимальное – 120, а минимальное – 70 мм рт. ст., т. е. 120/70 мм рт. ст. Физическая работа способствует расширению кровеносных сосудов, снижению тонуса их стенок. За счет более густой сети кровеносных сосудов и высокой их эластичности у спортсменов, как правило, максимальное (систолическое) давление несколько ниже нормы.
Умственная работа, нервно-эмоциональное напряжение, наоборот, способствуют сужению сосудов, повышению тонуса их стенок, что в итоге приводит к стойкому повышению кровяного давления, которое называется гипертонической болезнью.
Минутный объем крови – количество крови, выбрасываемое желудочком в течение одной минуты. При интенсивной физической работе у спортсменов он равен 35–42 л, у нетренированных – 20–25 л.
В покое полный круговорот кровь совершает за 21–22 с, при физической работе – за 8 с и меньше. В результате увеличения скорости кровообращения значительно повышается снабжение тканей кислородом и питательными веществами. Особенно полезна тренировка в циклических видах спорта на открытом воздухе.
Систолический объем крови – количество крови, выбрасываемое левым желудочком сердца при каждом его сокращении. У спортсменов он равен 200 мл, у нетренированных – 130 мл. Наибольший систолический объем наблюдается при частоте пульса 130 – 180 уд/мин., поэтому именно при этой частоте пульса отмечаются наилучшие возможности тренировки сердца. Частота сердцебиений выше 200 уд/мин обычно ведет к ухудшению кровоснабжения сердца.
При переходе крови из капилляров в вены давление падает до
10–15 мм рт. ст., что значительно затрудняет возврат крови к сердцу. При малоподвижном образе жизни венозная кровь в различных частях тела под влиянием силы тяжести может скапливаться, происходит ее застой, например в брюшной полости, в области таза при длительном сидении.
Движение крови по венам способствует деятельности окружающих мышц – мышечный насос.
Сокращаясь, мышцы проталкивают кровь по направлению к сердцу, так как по движению крови в противоположную от сердца сторону препятствуют венозные клапаны. Таким образом, односторонность направления кровообращения обусловлена, как отмечалось выше, последовательностью сокращений предсердий и желудочков сердца, а также наличием в нем и венах клапанов, открывающихся лишь в направлении кровотока.
Чем чаще сокращаются мышцы, тем большую помощь они оказывают сердцу. Особенно эффективно мышечный насос работает при ходьбе, беге, беге на лыжах и коньках, плавании и т. п.
Дыхательная система
Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками, тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии, необходимой для их жизнедеятельности (клеточное или тканевое дыхание). У человека внешнее дыхание осуществляется специальными органами дыхания, а клеточное (тканевое) – обеспечивается кровью.
Органы дыхания человека состоят из легких, воздухоносных путей (полость носа, носоглотка, трахея, бронхи), грудной клетки и дыхательной мускулатуры (диафрагма, наружные межреберные мышцы и др.).
Во время мышечной работы для увеличения газообмена усиливаются функции дыхания и кровообращения. Работоспособность этих органов оценивается рядом показателей, частотой дыхания, дыхательным объемом, легочной вентиляцией, жизненной емкостью легких, максимальным потреблением кислорода.
Частота дыхания. Средняя частота в покое составляет 16 – 20 циклов в минуту, у спортсменов она снижается до 8 – 10 циклов в минуту за счет увеличения дыхательного объема. При мышечной работе частота дыхания может доходить до 120 циклов в минуту. Для организма выгоднее более редкое и глубокое дыхание, так как в этих условиях лучше обеспечивается газообмен.
Дыхательный объем – объем воздуха, проходящий через легкие при одном дыхательном цикле. В покое дыхательный объем составляет 350 – 800 мл (величина объема зависит от степени тренированности). При интенсивной физической нагрузке дыхательный объем может увеличиваться до 2,5 л и более.
Легочная вентиляция – объем воздуха, который проходит через легкие за одну минуту. В покое легочная вентиляция составляет 5–9 л. При интенсивной физической работе у квалифицированных спортсменов она может увеличиваться в 25 раз и более и составлять более 180 л.
Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объем воздуха, который может выдохнуть человек после самого глубокого вдоха.
Средние величины ЖЕЛ составляют 3800–4200 мл (мужчины),
3000–3500 мл (женщины). У людей, занимающихся физической культурой, ЖЕЛ может достигать 7000 мл и более (мужчины) и 5000 мл и более (женщины).
Максимальное потребление кислорода (МПК) – наибольшее количество кислорода, которое может усвоить организм при предельно тяжелой для него работе. МПК является важным критерием функционального состояния дыхания и кровообращения. МПК находится в прямой зависимости от возраста, пола и степени физической тренированности. Предел МПК для не занимающихся спортом находится на уровне 2–3,5 л/мин. МПК может достигать у спортсменов высокого класса, особенно занимающихся циклическими видами спорта 4 л/мин и более (женщины), и 6 л/мин и более (мужчины).
МПК является показателем максимальной аэробной (кислородной) производительности организма. Считается, что для повышения уровня аэробной производительности следует выполнять тренировочные нагрузки с частотой пульса 150–180 уд/мин. При достижении МПК дальнейшее повышение нагрузки выводит организм из аэробного режима. Организм начинает работать в долг.
Кислородный долг – количество кислорода, необходимое для окисления продуктов обмена веществ, накопившихся при физической работе.
При длительной интенсивной работе возникает суммарный кислородный долг, который ликвидируется после окончания работы. Величина максимально возможного суммарного кислородного долга имеет предел. У нетренированных людей он находится в пределах 10 л, у тренированных может достигать 20 л и более. Систематическая физическая тренировка способствует, таким образом, значительному повышению уровня, как максимального потребления кислорода, так и возможного кислородного долга. В этом заключается фундамент активности, здоровья и устойчивости к действиям неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды.